中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周興江研究組博士生蔡永青、黃建偉以及副研究員趙林等，利用新一代基于飛行時(shí)間分析器的真空紫外激光角分辨光電子能譜的超高分辨率和同時(shí)探測二維動量空間的獨(dú)特優(yōu)勢，結(jié)合氦燈光源的光電子能譜，對高質(zhì)量最佳摻雜(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂超導(dǎo)體進(jìn)行了全面系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙的研究，揭示了其本征的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu)。

　　最佳摻雜(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂布里淵區(qū)中心Γ點(diǎn)附近，在超導(dǎo)態(tài)會出現(xiàn)一個“平帶”結(jié)構(gòu)，長期以來關(guān)于其起源存在著不同理解（可能存在的四種解釋如圖1所示）。利用激光角分辨光電子能譜，對新鮮解理的樣品和退化的樣品能帶結(jié)構(gòu)之間的比較表明，退化的樣品中超導(dǎo)相干峰被強(qiáng)烈壓制，但平帶結(jié)構(gòu)基本保持不變，因而會更加明顯地顯現(xiàn)出來（圖2）。對M點(diǎn)附近的能帶測量發(fā)現(xiàn)，在超導(dǎo)溫度以上相干性較差的能帶，在超導(dǎo)態(tài)形成了具有較強(qiáng)超導(dǎo)相干峰的能帶（圖3）。在超導(dǎo)態(tài)M點(diǎn)形成的能帶，與在Γ點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)的“平帶”結(jié)構(gòu)具有較好的對應(yīng)關(guān)系（圖4）。研究在Γ點(diǎn)和M點(diǎn)觀測到了清晰的能帶復(fù)制現(xiàn)象，這種能帶復(fù)制在正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)下均可以觀測到，有可能是由表面重構(gòu)導(dǎo)致（圖5）。

　　基于上述結(jié)果，研究人員建立了新的完整圖像來理解最佳摻雜(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂的電子結(jié)構(gòu)（圖6）。Γ點(diǎn)附近平帶的起源，是由M點(diǎn)的能帶復(fù)制到Γ點(diǎn)以及Γ點(diǎn)附近能帶的超導(dǎo)回彎兩部分共同組成。對能帶結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確認(rèn)識并結(jié)合更精細(xì)的測量，有助于提取出準(zhǔn)確的超導(dǎo)能隙，建立完整的超導(dǎo)能隙圖像。如圖7所示，在Γ點(diǎn)附近三個能帶展現(xiàn)出三個不同的超導(dǎo)能隙，M點(diǎn)附近的兩個能帶對應(yīng)的超導(dǎo)能隙約為5.5meV，遠(yuǎn)小于之前所有ARPES的測量結(jié)果。

　　該工作直接觀測到了超導(dǎo)態(tài)下和正常態(tài)下在Γ點(diǎn)和M點(diǎn)能帶的復(fù)制現(xiàn)象，確定了超導(dǎo)態(tài)下Γ點(diǎn)附近平帶的起源，在Γ點(diǎn)和M點(diǎn)建立了新的超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果有助于解決關(guān)于最佳摻雜(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙的一系列爭議，為檢驗(yàn)并建立理論來理解鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理提供了信息。

　　相關(guān)研究成果以Genuine electronic structure and superconducting gap structure in (Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂ Superconductor為題，發(fā)表在Science Bulletin上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科技部和中科院等的資助。

　　論文鏈接 

圖1.超導(dǎo)態(tài)下(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂ Γ點(diǎn)附近的平帶及其可能的起源

圖2.激光ARPES測量的超導(dǎo)態(tài)下(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂ Γ點(diǎn)附近樣品退化前和退化后的平帶結(jié)構(gòu)

圖3.超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)下(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂ M點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)

圖4.超導(dǎo)態(tài)下(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂在Γ點(diǎn)和M點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)的比較

圖5.超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)下(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂在Γ和M點(diǎn)之間的能帶復(fù)制

圖6.超導(dǎo)態(tài)下(Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂在Γ點(diǎn)處平帶的形成機(jī)理

圖7.最佳摻雜 (Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂的超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu)